Excretion
BIOLOGY 20I
•
Homeostasis  refers to the ability of an  organism to maintain its internal makeup.
•
Excretion  is the removal from the body of the  waste products of metabolic pathways.
•
During the metabolic processes of the body,  waste products are removed from the site of  production by the blood.
•
As these wastes accumulate, the kidney  removes them from the blood and excretes them  to the environment.
•
The excretory product becomes  urine .
FUNCTIONS OF THE EXCRETORY
SYSTEM
1

Excretion
­ Carbon Dioxide  – is excreted through the  respiratory surfaces
­ Water  – excreted through respiratory  surfaces as well as kidneys
­ Nitrogenous Wastes  – products of protein  and nucleic acid digestion
NITROGENOUS WASTE
•
Ammonia  – The first metabolic product of amino  acid deamination – (i.e protein digestion)
­highly toxic
­cannot accumulate in body
­must be converted into less toxic uric acid and  urea
•
Uric Acid (in birds)  – produced from ammonia
­not very soluble – can be excreted as a paste with
­little water loss
­non ­ toxic
NITROGENOUS WASTE
•
Urea (in mammals)  – converted from ammonia
­less toxic than ammonia
­produced in the liver
­can be excreted in concentrated form
Problem : requires more water to excrete than  uric acid
2

Excretion
STRUCTURES & FUNCTIONS
•
Two kidneys – produce urine by filtering the blood
•
Two ureters – take urine from kidneys to the  bladder
•
Urinary bladder – stores urine
•
Urethra – carries urine to environment
LET'S LABEL...
THE KIDNEY
•
Three distinct regions of the kidney:
1.   Cortex  – outer region
2.   Medulla  – just below cortex
3.   Pelvis  – a hollow chamber within the medulla
•
The cortex and medulla of each kidney are  made up of a approximately one million  nephrons
3

Excretion
THE KIDNEY
11.3.2 Draw and label a  diagram of the kidney.
Include the cortex, medulla,  pelvis, ureters and renal blood  vessels.
THE NEPHRON
THE KIDNEY
the structural and functional unit of  the kidney
•
Composed of 5 parts:
1.   Bowman’s capsule : receives first filtration products of  blood.
2.   Glomerulus : bundle of capillaries.
3.   Proximal tubule : leads from Bowman’s capsule into  cortex.
4.   Loop of Henle : descends into renal medulla and back  into cortex.
5.   Distal Tubule & Collecting Duct : re­enters cortex and  joins with collecting  tubule­­­­ medulla ­­­­ renal pelvis­­­  ureters.
THE NEPHRON
4

Excretion
THE NEPHRON
• a double walled chamber – start of the tubule.
THE NEPHRON
3.  PROXIMAL TUBULE
• active transport of many valuable substances back  into blood network happens here
­glucose
­amino acids
­sodium
THE NEPHRON
• network of capillaries within the Bowman’s  capsule
• high pressure (4x higher than in capillaries)
•
Where filtration of blood plasma occurs;  plasma that enters capsule = FILTRATE
THE NEPHRON
3.  PROXIMAL TUBULE
•
What doesn’t get reabsorbed back into blood?
5

Excretion
THE NEPHRON
• the long hair­pin turn!!
• some of the remaining water and salt in the  filtrate will be returned to the blood
• lies in the medulla which is relatively salty
(hypertonic)
4 STEPS TO URINE FORMATION
11.3.4 Explain the process of ultrafiltration, including  blood pressure, fenestrated blood capillaries and  basement membrane.
•
Ultrafiltration ­ filtration, in which hydrostatic pressure forces a  liquid against a semi permeable membrane. In the case of the  glomerulus the hydrostatic pressure is caused by the blood  pressure.
•
Fenestrated capillaries – contain small gaps between the cells  which allow blood plasma to leak through to the Bowman’s  capsule.
•
Basement membrane ­ forms the boundary between blood  and urine. Surrounds the glomerulus http://www.kidneypatientguide.org.uk/site/HKWanim.php
THE NEPHRON
5.  DISTAL TUBULE  and  COLLECTING
DUCTS
•
More water reabsorption occurs here
­This depends on the presence  of certain hormones –  antidiuretic hormone (ADH)
•
Exact amounts of substances are reclaimed to the  blood
­very precise
6

Excretion
FILTRATION
•
Occurs at the junction of the glomerulus and the  wall of the Bowman’s capsule
•
Each glomerulus receives blood from an afferent  arteriole and discharges its blood into an efferent  arteriole (hypertonic).
•
Only Fluid and dissolved materials (nutrients,  wastes, ions) in the blood plasma pass from the  glomerulus into Bowman’s capsule
­due to a local increase in blood pressure within the  glomerulus
REABSORPTION
11.3.6 Explain the reabsorption of glucose, water and  salts in the proximal convoluted tubule, including the roles  of microvilli, osmosis and active transport
•
Occurs from  proximal tubule  à  collecting duct
•
Can return about 85% ­ 99% of filtrate to the blood
­Depends on how much water & salt you must conserve
• efferent arteriole feeds into second capillary network that  surrounds the tubule (the vasa recta)
• this network  receives reabsorbed substances
­eventually leads to renal vein
FILTRATION
• this material is then called nephric filtrate
• red blood cells, plasma proteins and platelets are too large to  pass through the wall of the capillary and therefore remain within  the capillary.
REABSORPTION
•
Water rushes into the blood because of  osmosis
Problem
•
Not enough water is returned this way.
7

Excretion
REABSORPTION REABSORPTION
REABSORPTION
SOLUTION:
• active transport solutes into the capillary bed
­glucose
­amino acids
­vitamins
­inorganic ions (Na+)
• water is passively reabsorbed from the  proximal tubule as these solutes are actively  removed from the filtrate
REABSORPTION
Reabsorption and the distal tubule:
•
A more selective, precisely regulated reabsorption occurs  in the distal tubules
•
Additional quantities of salts and water may be  reabsorbed
•
The exact amount of each substance reclaimed occurs in  the distal tubules.
­excess is excreted in urine
­e.g. glucose and diabetes
8

Excretion
SECRETION
•
This is the last chance for anything to leave the  blood and enter the urine
•
Mechanism = Active transport
•
Occurs in the distal tubule and collecting duct
•
Hydrogen ion secretion – helps regulate blood pH
­Distal tubule
­Na+ moves into the blood and H+ moves into the  tubule filtrate
­blood pH increases (ranges 7.3 ­ 7.4)
­urine pH decreases (ranges 4.5 ­ 8.5)
ELIMINATION
• collecting duct
• renal pelvis
• ureter
• urinary bladder
• urethra
• environment
SECRETION
• potassium secretion
­prevents accumulation of potassium that can create neural  and muscular problems
• some drugs are removed from the body by secretion
• substances eliminated in this manner are
­creatine – byproduct of protein metabolism
­potassium
­penicillin
9

Excretion
URINE FORMATION
11.3.8 Explain the differences in the concentration  of proteins, glucose and urea between blood  plasma, glomerular filtrate and urine.
WHAT HAPPENS?
•
•
•
HORMONES
11.3.7 Explain the roles of the loop of Henle, medulla,  collecting duct and ADH (vasopressin) in maintaining the  water balance of the blood.
ADH
•
The Anti­Diuretic Hormone
­influences the RATE of water reabsorption into blood from  collecting ducts
­released by the pituitary gland in the brain
•
Osmoreceptors in hypothalamus of brain stimulated by  low blood volume and increased osmotic pressure
­both of those means that there is not enough water in the blood.
­rate of ADH secretion from pituitary is increased
HORMONES
•
Released by adrenal glands in response to a  drop in blood pressure or volume
­Detected at JGA (juxtaglomerular apparatus)
•
Aldosterone acts on distal tubule to increase  reabsorption of Na+
•
As a result, water absorption also increases  à   less water lost in urine
­Urine becomes more concentrated http://highered.mcgraw­ hill.com/sites/0072495855/student_view0/chapter20/animation__hormonal_communication.html
10

Excretion
URINARY STATISTICS
•
How much filtrate is produced by 2 million  nephrons/day?
­180 liters
•
How much blood is filtered every minute?
­130 mL
•
How much urine enters the bladder per  minute?
­2 mL (only ~1.5 % of the amount filtered!!)
SCIENCE, TECHNOLOGY, &
SOCIETY
•
Lifestyle factors contributing to hypertension (high  blood pressure) and kidney function:
­alcohol and nicotine
­Consuming alcohol may raise blood pressure more than sodium.  the increase in blood pressure was especially marked in those who  were overweight and drank regularly.
­Nicotine in tobacco acts as a stimulant, speeding up the beating of  the heart and constricting the arteries. This tends to raise blood  pressure.
URINARY STATISTICS
•
Approximately how much urine does the  average adult bladder volume hold?
­600 mL
•
Averages
­1.5 liters of urine produced per day
­yellow
­usually acidic
­95% water
SCIENCE, TECHNOLOGY, &
SOCIETY
•
Lifestyle factors contributing to hypertension
(high blood pressure) and kidney function:
­sedentary lifestyle
­Obesity causes the heart to beat harder in order to  supply the (larger) body with enough blood
11

Excretion
SCIENCE, TECHNOLOGY, &
SOCIETY
•
Lifestyle factors contributing to hypertension (high  blood pressure) and kidney function:
­dietary excesses or deficiencies
­Too much salt (Na+) will cause an increase in blood  pressure.
­Too much fat in diet can cause arteriosclerosis and  increase blood pressure.
SCIENCE, TECHNOLOGY, &
SOCIETY
Explain how an understanding of nephron function is applied  to renal and peritoneal dialysis
•
Hemodialysis means "cleaning the blood." In hemodialysis,  the blood is circulated through an artificial kidney machine,  which contains a dialyzer (also called an artificial kidney).
The dialyzer has two spaces separated by a thin membrane.
Blood passes on one side of the membrane and dialysis fluid  passes on the other. The wastes and excess water pass from  the blood through the membrane into the dialysis fluid, which  is then discarded. The cleaned blood is return to the  bloodstream.
SCIENCE, TECHNOLOGY, &
SOCIETY
•
Lifestyle factors contributing to hypertension
(high blood pressure) and kidney function:
­Stress
­When the body undergoes stress, the heart rate  increases and the blood vessels constrict, raising blood  pressure.
12

Excretion
Explain how an understanding of nephron function is  applied to renal and peritoneal dialysis
• peritoneal dialysis ­ the blood is cleaned inside the body  in the abdomen in the peritoneal cavity, which is lined by  a thin membrane called the peritoneum that surrounds the  intestines and other internal organs. This cavity is filled  with dialysis fluid that enters the body through a  permanently implanted catheter. Excess water and wastes  pass through the peritoneum into the dialysis fluid, which  is then drained from the body and discarded. The process  is repeated from three to five times a day. This treatment  can be performed without assistance, either at home or at  work
SCIENCE, TECHNOLOGY, &
SOCIETY
Briefly describe how the following disorders would affect the excretory system
11.3.9 Explain the presence of glucose in the urine of untreated diabetic patients.
Diabetes mellitus  (sugar diabetes)
• blood glucose, is too high.
• pancreas does not make insulin.
•
Insulin is a hormone that helps glucose get into your cells  to give them energy.
•
Without insulin, too much glucose stays in your blood.
•
Too much sugar in blood
•
Urinating often
• very thirsty
•
Feeling very hungry or tired
SCIENCE, TECHNOLOGY, &
SOCIETY
• a disorder in which the body does not produce  sufficient ADH.
• large volumes of dilute urine; dehydration.
•
Caused by a problem with the pituitary gland or  the kidneys
13

Excretion
SCIENCE, TECHNOLOGY, &
SOCIETY
•
•
•
KIDNEY STONES
SCIENCE, TECHNOLOGY, &
SOCIETY
Kidney stones  ­
Urolithiasis
•
A kidney stone is a solid piece of material that forms in the  kidney from substances in the urine
• small as a grain of sand or as large as a pearl
•
Most pass out of the body without help from a doctor
•
It may get stuck in the urinary tract, block the flow of urine  and cause great pain.
•
Extreme pain in your back or side that will not go away
•
Blood in your urine
•
Urine that smells bad or looks cloudy
•
A burning feeling when you urinate  http://www.youtube.com/watch?v=BLO5beZY4zc
KIDNEY STONES
14

Excretion
KIDNEY STONES KIDNEY STONES
SCIENCE, TECHNOLOGY, &
SOCIETY
Describe two technologies used to diagnose, treat or assist  the excretory system.
Dialysis
Blood/Urinalysis Tests
– blood urea nitrogen (BUN test)
–  creatinine
SCIENCE, TECHNOLOGY, &
SOCIETY
Describe two technologies used to diagnose, treat or assist  the excretory system.
•
Extracorporeal shock wave lithotripsy (ESWL)
­uses shock waves to break a kidney stone into small pieces  that can more easily travel through the urinary tract and  pass from the body.
­You lie on a water­filled cushion. X­rays or ultrasound  tests are used to precisely locate the stone. High­energy  sound waves pass through your body without injuring it  and break the stone into small pieces.
15

Excretion
SCIENCE, TECHNOLOGY, &
SOCIETY
SCIENCE, TECHNOLOGY, &
SOCIETY
SCIENCE, TECHNOLOGY, &
SOCIETY
Describe two technologies used to diagnose, treat or  assist the excretory system.
•
Cystoscopy is the use of a scope (cystoscope) to examine  the bladder.
­Abnormalities can be detected in this manner, and  surgical procedures can be performed.
­Areas that can be examined include the following:
­Urethra, Bladder, & ureters
SCIENCE, TECHNOLOGY, &
SOCIETY
Identify the challenges of organ and tissue  transplants.
People who need an organ transplant often have to  wait a long time for one. Doctors must match donors  to recipients to reduce the risk of transplant rejection.
This is when the recipient's body turns against the  new organ, causing it to fail. People who have  transplants must take drugs the rest of their lives to  help keep their bodies from rejecting the new organ.
16